新型雙循環雙堿法小型工業鍋爐濕法脫硫裝置研究

嚴 方，張海燕，黎 賓

YAN Fang, ZHANG Hai-yan, LI Bin

（廣西電力職業技術學院，南寧 530004）

新型雙循環雙堿法小型工業鍋爐濕法脫硫裝置研究

Research for new dual-loop dual-alkali wet desulphurization equipment for small-scale industrial boilers

嚴 方，張海燕，黎 賓

YAN Fang, ZHANG Hai-yan, LI Bin

（廣西電力職業技術學院，南寧 530004）

本文介紹了一種新型小型工業鍋爐脫硫裝置的整體設計方案，方案結合具有獨特工藝的再生池、循環池以及噴淋泵，實現了脫硫液的循環利用以及pH值的穩定控制。方案有效地解決了因pH值擾動造成的脫硫設備的結垢與堵塞問題，并使得整套裝置運行簡易。實踐證明整套裝置投資費用低、脫硫效果好、運行費用也比較合理，尤其廢水為零排放，不失為小型工業鍋爐煙氣脫硫的一種綜合優化方案。

工業鍋爐；雙循環雙堿法；濕法脫硫裝置

0 引言

煙氣濕法脫硫（FGD）是應用最為廣泛的脫硫方法，也是控制酸雨和二氧化硫污染的最為有效的和主要的技術手段。目前世界各國對煙氣脫硫都非常重視，已開發了數十種行之有效的脫硫技術[1～3]，其中以濕法脫硫為主。濕法脫硫劑形式多樣，可因地制宜，但其基本原理都是以一種堿性物質作為SO2的吸收劑，即脫硫劑。其中鈣法脫硫因其造價低廉、脫硫效果較好成為國內濕法脫硫的主流。

本文從小型鍋爐脫硫系統的實際出發，介紹一種造價低廉、自動化程度高、運行簡易、運行費用相對合理的雙循環雙堿法小型工業鍋爐濕法脫硫裝置的設計與實現。

1 小型工業鍋爐石灰（石）濕法脫硫應用難點

1.1 pH值難以控制，對運行人員要求較高

1.1.1 pH值過高的危害

石灰濕法脫硫過程中，當pH過大時，漿液中的脫硫劑主要為Ca(OH)2，脫硫產物是溶解度很小的，雖然此時可以獲得高的脫硫率，但結垢非常嚴重。這是因為半水亞硫酸鈣和碳酸鈣的溶解度很小，極易達到過飽和而結晶出來，最終會在器壁上形成很厚的垢層，嚴重時將使設備、管道堵塞而無法連續運行。

此時脫硫塔內主要的化學反應式為：

1.1.2 pH值過低的危害

當pH過低時，脫硫效率下降并且容易加重脫硫設備的腐蝕。水成了主要的脫硫劑，SO2·H20逐漸成為液相中硫陰離子主要形態，溶液中較高的H+濃度抑制了H2SO3的電離。這種單純的溶解作用吸收SO2的能力十分有限。并且這種溶解十分不穩定，具有很大的可逆性。SO2很容易從較低的pH值環境中逸出，因此不能看做SO2被有效吸收。顯然低pH值脫硫不僅達不到脫硫的效果，由于煙溫下降，煙氣對整個脫硫設備腐蝕加劇，極大降低脫硫設備的壽命。

1.1.3 pH值擾動危害

如果吸收液pH值劇烈變化，會產生結垢與堵塞。當pH值急劇降低時.亞硫酸鹽溶解度急劇上升，硫酸鹽溶解度略有下降，石膏會在很短的時間內大量產生并析出，從而產生硬垢。而當pH值急劇升高時亞硫酸鹽溶解度降低.會引起亞硫酸鹽析出，產生軟垢，同時在堿性pH值運行會產生碳酸鈣硬垢。

當然石灰（石）濕法脫硫系統中除了pH值控制不當容易引起脫硫設備結垢與堵塞，氧化不夠同樣會引起設備結垢與堵塞。因為脫硫塔內氧化不夠甚至無氧情況下，會生成生成一種反應物為Ca (SO3)0.8·(SO4)0.2·1／2H2O，又稱軟垢。

1.2 煙氣影響

小型工業鍋爐脫硫裝置中，由于煙道短、煙溫高且通常不會在脫硫前單獨裝設除塵裝置，煙氣特性對脫硫效果的影響是顯著的，且主要表現為煙溫和飛灰的影響。

1.2.1 飛灰影響

原煙氣中飛灰在一定程度上阻礙了SO2與脫硫劑的接觸，降低了石灰石中Ca2+的溶解速率，同時飛灰中不斷溶出的一些重金屬會抑制Ca2+與(HSO3)-的反應。煙氣中粉塵將使塔內漿液反應活性下降、脫硫率大大降低，以及造成噴頭及管道堵塞等一系列問題。

1.2.2 煙溫

低煙溫有利于吸收，高煙溫有利于解吸。在大型鍋爐脫硫系統中，喜歡采用GGH將煙氣冷卻到60℃左右再進行吸收。較高的吸收煙氣溫度會使SO2的吸收效率降低。由于GGH設備昂貴，且增加了系統的電負荷，文獻[4]對是否安裝GGH進行了詳細的利弊分析，顯然從目前技術水平以及經濟性考慮，小型鍋爐脫硫裝置裝設GGH顯然是不適用的。當然小型鍋爐煙氣可以考慮余熱利用適當降低煙氣溫度，因地制宜的余熱利用方法有很多，本文不在此贅述。

1.3 運行人員自動裝置應用水平相對較低

相對大中型工業爐運行人員的自動裝置應用水平而言，小型工業鍋爐運行人員自動裝置應用水平相對較低。同時由于小型工業鍋爐所面向的企業為一些地方性甚至私營的中小型企業，企業的生產過程自動化水平本來就相對較低，而脫硫系統對于大多數企業都是一個負擔，許多脫硫裝置的上馬是為了環評而設計，因此系統的自動控制設計會更加不受重視。隨著環境保護認識的更深一步加強，脫硫裝置的有效投入一定會成為企業的準投運前提。

2 簡易雙循環雙堿法濕法脫硫裝置介紹

2.1 脫硫裝置系統圖

圖1 小型鍋爐簡易雙堿法脫硫系統

本裝置系統工藝流程如圖1所示。脫硫裝置配套的工藝子系統包括煙氣系統、吸收塔系統、沉淀池、澄清池、再生池、曝氣裝置、循環池、堿液箱、電氣控制系統、測量裝置、自動控制裝置等系統。煙氣中SO2的去除在吸收塔內進行。吸收塔本體包括兩層填料吸收區、曝氣吸收區，主要設備有攪拌器、漿液循環泵、再生泵、曝氣裝置等。

循環池由循環泵經管道連接到脫硫塔的上部；循環池由再生泵經管道依次連接反應池和沉淀池、澄清池，澄清池的上部設有管道連接到循環池和淋盤，循環泵有管道連接再生池，脫硫塔的底部設有管道連接到循環池。脫硫液以循環池為連接點部分再生。脫硫系統采用三相流化床脫硫除塵一體化工藝，填料采用兩層格柵空心填料球填充，脫硫塔頂部設有高效噴淋裝置，脫硫液由脫硫塔的頂部進入脫硫塔，煙氣由脫硫塔底部進入。循環池由短管曝氣裝置經管道連接到脫硫塔底部的煙氣進口，起降溫和預脫硫除塵作用。

2.2 化學原理 [5]

2.2.1 在吸收吸收塔內用NaOH吸收SO2：

2.2.2 脫硫劑再生

雙堿法適合小型鍋爐脫硫最重要的優勢是污水的零排放，也就是脫硫劑的再生。將吸收了SO2的吸收液送至石灰（石）脫硫再生器，進行吸收液的再生和固體副產品的析出。以納鹽為例作為脫硫劑，用石灰對吸收劑進行再生，則在反應器中會進行下面的反應：

再生后的NaOH和Na2SO3等脫硫劑可以循環使用。由于再生池的氧化，因此同時會發生下面的副反應：

2.2.3 脫除硫酸鹽

Na2SO4比較難再生，但我們可利用添加Na(OH)2增加回收劑堿性來抑制脫硫劑Na2SO3的氧化。

2.2.4 軟化

3 裝置的基本工藝原理

在引風機的驅動下，原煙氣通過煙氣入口，進入脫硫塔，煙氣首先與專有曝氣裝置曝氣后形成的氣化漿液接觸，煙氣中的粉塵與SO2被有效地吸收，尤其是粉塵。由于氣化漿液表面積大，脫硫劑中的Na(OH)2吸收產物氧化效果好，降低了雙堿法也存在的結垢風險，同時也減少了因為Na2SO3被氧化帶來的物料損失。此時煙氣進一步穿過氣化霧后，煙氣進一步與噴淋的漿液接觸，吸收液在經過高效噴淋后在填料球的上下湍動與煙氣接觸發生化學反應，廢煙氣經過噴淋、混合、吸附、氧化、中和、還原等物理化學過程，達到脫硫、除塵、凈化煙氣的目的。處理后的煙氣經引風機到達煙囪排入大氣，脫硫塔的出水由底部流出。循環池安裝有pH值監測裝置和液位測量裝置，根據循環池中pH條件，再生泵抽取部分脫硫液循環再生并定時補充一定量鈉堿溶液。再生池沉淀閥為特殊工藝控制閥，能準確控制再生液pH值，本裝置使得脫硫系統和再生各自形成循環，該裝置減少了脫硫液的循環量，降低運行成本，使系統操作彈性變寬、脫硫效率更加穩定。

4 裝置的多種控制與運行方式

本套裝置最大的特色就是在增加不大的投資基礎上，系統的運行方式多樣，并且可靠。相對于普通的雙堿法裝置，系統增加了循環泵和曝氣裝置以及特殊工藝控制閥，噴淋泵增加一套變頻裝置。這樣脫硫裝置的控制方式與運行方式就多樣化，運行非常可靠。

4.1 雙堿雙循環運行方式

該方式為裝置推薦方式。當循環池pH值降低到6.7時，循環泵切換至澄清池回路，循環池pH值繼續下降至6.3時，再生泵啟動，循環液過再生池，同時循環泵切換至澄清池，噴淋泵根據脫硫效率變頻輸出。因為曝氣裝置以及備用噴淋泵設計，循環池內pH值可低至6.3。當循環池液位下降至設計值時,啟動噴淋泵向循環池內注入循環液，當液位上升至設計值時，循環泵切換至循環池回路，依據循環池中pH條件，補充定量的鈉堿溶液。循環池液位到正常液位，運行方式進入下一個周期。再生池液位達到一定液位后，依據再生池pH值計算出Na(OH)2的用量，再生池pH值計算值控制在6.8，攪拌后再生液注入沉淀池，循環池液位穩定后可定量補充Na(OH)，此時循環池pH值基本上控制在7～7.1。

4.2 其他運行方式

如果曝氣裝置發生故障，可同時運行兩臺循環泵。其他運行方式與具有曝氣裝置方式相同。

如果兩臺循環泵均不能正常運行，可運行噴淋泵進行噴淋，進入普通的雙堿運行模式。即啟動噴淋泵的同時啟動再生泵實行實時再生。

如果在雙循環過程中脫硫效率下降嚴重，可采用變頻后的噴淋泵+循環泵+曝氣裝置模式。

5 裝置特性分析

我們可以從造價、經濟運行、設備投運與維護、pH值控制、自動控制裝置效率、脫硫效率來看，雙堿法脫硫更適合小鍋爐脫硫。

表1 雙堿法脫硫與石灰（石）法脫硫比較

表2 35t/h鍋爐雙堿循環法運行費用分析

6 結束語

與傳統濕法脫硫工藝相比，本新型雙循環雙堿法原則上具有如下優點：

1）有效穩定的pH值控制以及多樣的運行方式使得循環過程水泵、管道、設備均無較明顯的腐蝕與堵塞現象，便于設備運行與保養,大幅度降低了設備的運行保養費；

2）采用短曝氣方式以及再循環方式，pH值擾動小，循環泵功率相對也小，脫硫劑利用率高，電耗率相對較低。

3）控制方式較為簡單，適合自動化程度較高的運行，降低人力資源損耗。

本裝置已在小型供熱鍋爐中投入運行使用，當然小型燃煤工業鍋爐的優勢在于煤耗量較少，因此采用一些簡易可行方法先大幅度降低煤中的SO2含量[6]，然后采用更加節能模式的SO2吸收工藝，是我們后續研究的重點。

[1] Vorbach.M.Marr.R：Sicbenhofer,M.In 3rd International Symposium on Reaction Kinetics and the Development and Operation of Catalytic Processes,2001：575-580.

[2] 汪黎東,趙毅,李薔薇,等.濕法脫硫中亞硫酸鹽非催化氧化本征動力學[J].化學學報,2007(22)：2618-2622

[3] 田鳳國,吳江,章明川,等.一種新的濕法脫硫強制氧化技術[J].熱能動力工程,2004.

[4] 許正濤,吳樹志,范新寬.濕法煙氣脫硫系統不設GGH 的經濟性及對環境影響的分析[J].電力環境保護,2005.

[5] 肖漓,周國榮.濕式鈣/鎂法煙氣脫硫自動控制系統[J].電力環境保護,2009.

[6] 徐宏祥,陳宣辰.煤炭生物脫硫技術的研究及其應用[J].煤炭技術,2009.

TH166

B

1009-0134(2010)09-0176-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.54

2010-03-17

嚴方（1977 -），男，工程師，工學碩士，研究方向為復雜系統數學建模技術、工業爐節能減排裝置設計、工控系統設計與調試。